加氢尾油裂解深度模型的研究

王 哲 沈冬伟

（中国石化上海石油化工股份有限公司烯烃部，200540）

加氢尾油裂解深度模型的研究

王 哲 沈冬伟

（中国石化上海石油化工股份有限公司烯烃部，200540）

介绍了乙烯裂解炉裂解深度控制的意义，并在对中压加氢和高压加氢两个装置产出的加氢尾油（HVGO）作为裂解原料进行标定的基础上，结合深度控制系统，开发出适合HVGO在GK－VI裂解炉上运行的深度模型系统。

裂解炉 神经网络 深度控制 加氢尾油

近年来国际石油价格不断攀升，炼油企业为了降低生产成本，进口的石油来源广泛且品质较差，造成炼油装置生产的加氢尾油（HVGO）物性变化频繁。中国石化上海石油化工股份有限公司（以下简称上海石化）2＃乙烯装置目前使用的HVGO是中压加氢与高压加氢两股物料的调和油，由于上游品质的波动以及调和期间的不稳定，造成原料物性的不稳定，裂解炉深度控制也无法实现。在实际生产过程中，裂解炉操作更加依赖经验，往往给定一个深度值，裂解炉运行期间不做任何修改。在整个运行周期内，不变的裂解深度控制值对整个产品收率的提高有较大的影响。

乙烯装置在建造初期一般都带有良好的PID自动控制系统，中国石油化工集团公司的大型乙烯装置都采用了霍尼韦尔（Honeywell）的自动控制系统，该系统运行稳定且高效，目前在镇海、武汉等1 000 kt／a大型乙烯装置中，Honeywell已经实现自带控制点的复杂回路控制，而上海石化乙烯装置的控制系统比较老，没有自带先进控制系统（APC）。文章在2＃乙烯装置裂解炉基于神经网络模型开发出带有前馈控制的裂解炉温度均衡APC控制基础上，研究开发HVGO的裂解深度模型。

1 裂解深度的物理意义及其影响因素

1.1 裂解深度的物理意义

裂解深度就是指裂解反应进行的程度。在裂解液体原料时，因为原料中基本不含乙烯和丙烯，故分析裂解产物中主要产品乙烯和丙烯的量，可以方便地获得乙烯和丙烯的收率（以质量分数计，下同）。一般情况下，随着裂解反应的进行，乙烯收率逐步增加，而丙烯收率稍慢，到最高点后下降［1］。

1.2 影响裂解深度的工艺因素

裂解的目标是获得尽可能多的目标产物，为此必须合理控制影响裂解深度的因素。工艺因素主要有：（1）裂解炉出口温度（COT）；（2）横跨温度；（3）停留时间；（4）烃分压；（5）炉出口压力（COP）；（6）急冷锅炉出口温度。综上所述，以乙烯为主要目标的裂解反应，其反应条件应该满足高温、短停留时间和低烃分压的要求，且在裂解生产过程中，必须保证裂解温度、汽／烃比和生产负荷的稳定［2］。

1.3 目前控制方法的弊端

目前裂解炉的深度控制主要采用SPYRO软件离线测算后的COT进行控制，但是在实际的运行工况下，油品的性质是不稳定的，在此过程中就造成了由于恒定COT而使双烯收率不稳定，造成乙烯和丙烯的损失。

1.4 采用深度控制的实际意义

采用裂解炉深度控制系统的意义在于运用软测量技术建立裂解深度预测模型，然后在裂解深度在线分析仪表正常的情况下，利用裂解深度在线分析值对裂解深度神经网络预测模型的输出进行校正，并做为裂解深度的软测量值；在裂解炉平稳运行时，并保证COT能够良好控制的前提下，裂解深度控制器与COT构成内、外环调节回路，实现对裂解深度的定值控制或跟踪控制，以达到稳定乙烯和丙烯收率的作用［3］。

2 裂解深度模型

2.1 HVGO在GK－VI型裂解炉裂解深度的标定

2.1.1 标定方法及流程

裂解炉裂解产物标定的主要目的是定量分析裂解炉主要裂解产物的收率，即得到在生产操作条件下的工业裂解炉蒸汽裂解的主要裂解产物收率及分布［4］。通过原料性质分析和模拟裂解评价试验以及裂解炉裂解产物标定数据，对裂解原料的裂解性能进行评价，并给出该裂解原料的推荐操作条件以指导工厂进行生产，其过程见图1。

图1 标定实验过程

此外，通过这些数据分析，可以对裂解炉COT的热电偶仪表系统进行误差校正，从而达到精确控制裂解炉的目的；同时可以配合原料性质进行裂解深度分析，从而优化裂解炉的操作条件。

2.1.2 标定数据分析

上海石化2＃乙烯装置GK－VI型裂解炉（BA－105）投用的HVGO物化性质见表1。

表1 HVGO物化性质

对BA－105裂解炉的标定数据结果见表2。

表2 HVGO收率标定数据 %（质量分数）

由表2可见：COT由770℃提高到809℃，HVGO的收率变化为：乙烯收率逐渐增加，最低值为27.45%，最高值为29.72%；丙烯收率持续下降，最低值为15.15%，最高值为16.76%；丁二烯收率逐渐增加，最低值为6.49%，最高值为6.77%；双烯（乙烯＋丙烯）收率逐渐增加，最低值为44.21%，最高值为44.87%；三烯（乙烯＋丙烯＋丁二烯）收率逐渐增加，最低值为50.70%，最高值为51.64%；高附产品（乙烯＋丙烯＋丁二烯＋丙炔＋苯＋氢气）收率逐渐增加，最低值为56.57%，最高值为58.66%。

2.2 模型的建立

2.2.1 GK－VI裂解炉深度控制方案思路

乙烯收率取决于原料进料的芳烃指数和裂解深度，对于特定的原料，其芳烃指数是一定的［5］。因此，乙烯的收率直接取决于裂解深度，但是丙烯收率在裂解深度超过一定限度后，不但不增加，反而会下降。因此，应将裂解深度控制在工艺要求的最佳值附近，以获得理想的乙烯／丙烯收率。这个所谓的“最佳值”实际应用中多以丙烯和乙烯比值来代表。

裂解深度的控制主要通过控制COT来实现。COT温度对乙烯收率的影响非常重要。将COT与裂解深度有效结合的控制方法，国内已经实施的控制原理如图2［6］。

图2 裂解深度控制原理

从图2可以看出：裂解深度控制是把在线的裂解深度值（PV）与设定的目标值（SP）比较，得出深度因子，利用适当的控制模块来对裂解炉COT进行控制，进而实现裂解深度控制。

深度控制的关键在于首先获得在线的裂解深度值，然后再选取合适的控制方案。在线裂解深度值主要通过裂解气在线分析仪测定和计算。上海石化2＃乙烯装置的在线分析仪采用色谱技术，主要分析裂解气中的气相组分，得出的数据是体积分数。在实际应用过程中，在线分析仪运行中存在两个问题：

（1）稳定性差。运行期间，分析值出现跳变，导致分析数值异常，尤其在使用较老型号的色谱分析时，数据可信度大大降低。

（2）滞后现象严重。在线分析仪需要同时承担2～3个流路的样品分析，按照实际的使用情况来看，每个流路数据分析需要6 min，则一个大循环至少需要12～18 min，而裂解炉反应时间基本在毫秒级别，因此不能实时反映裂解深度实际值的变化。

通过上面分析可知，直接利用在线分析仪无法实现裂解深度的实时有效控制。也就是说，当分析仪表数据在变化时，仅仅说明的是15 min之前工况下的产物分配，当前工况下的分析数据需要15 min后才能获得，滞后现象严重。

2.2.2 裂解深度控制策略

为了获得一种超前控制模式，华东理工大学自动化研究所科研人员与装置技术人员一起开发了一种基于裂解深度神经网络预测模型的Smith预估控制方案。通过分析油品特性、裂解炉负荷、汽烃比、COT等主要参数与裂解深度因子（上海石化2＃乙烯装置是丙烯／乙烯）之间的关系，运用神经网络技术建立裂解深度预测模型，从而根据裂解炉的运行状况预测当前的裂解深度，并利用在线分析仪的输出对裂解深度预测模型的输出进行校正，并作为裂解深度控制器的PV值。然后通过深度控制器自动设定COT控制器的设定值，达到稳定裂解深度的目标。

该深度控制系统以投料总量、原料类型（密度）、裂解COT、汽烃比等几个参数作为辅助变量，从而直接在APC基础上控制COT的平稳度。

GK－VI型裂解炉裂解深度控制方案采用两个回路实现裂解炉的裂解深度控制。其一是裂解深度估算和控制回路，该回路首先根据工艺参数的测量值和裂解原料烃特性在线估算裂解深度值（裂解炉出口甲烷／丙烯的质量比），然后通过裂解深度控制器给定COT的设定值，再利用平均COT控制器控制反馈温度跟踪设定值，从而实现裂解深度控制。裂解深度控制器的设定值（SP值）可以手动输入，也可以来自优化级；其二是裂解深度校正回路，该回路根据在线分析仪的分析结果计算出裂解深度，然后利用它对模型估计的值进行校正。控制方案如图3所示。

图3 裂解炉裂解深度控制系统

裂解深度控制系统是一个双闭环控制策略，内环为COT控制，用于稳定裂解炉操作，使裂解炉COT跟踪设定值变化；外环为裂解深度控制，用于在裂解炉运行状况变化或裂解油品属性变化时控制裂解深度的稳定和跟踪裂解炉性能，其控制对象为裂解炉，控制指标为COT和裂解深度。

虽然裂解深度控制器投用后，温度是相对于裂解深度的一个变量，但是为了防止出现意外情况，COT有一个±3℃的限定范围。所以当原料性质或者投料量发生一定程度的变化后，COT会运行在设定值的高限或者低限区域，此时需要进行调整。

裂解深度控制器在投用过程中，当COT的设定值一直处在裂解深度控制器中设定的上限值时，为使裂解深度控制器发挥作用，可以在裂解深度控制器中将COT的设定上限值适当调高；如果为使COT的设定值上下限保持不变，可以调高裂解深度控制器的设定值；而当COT的设定值一直处在裂解深度控制器中设定的下限值时，可以将裂解深度控制器的设定值适当的降低。

如果实际生产需要将裂解深度控制器设定值提高，可以在深度控制画面中适当的将COT的上下限相应的调低，如果调整幅度不大，则不必调整；如果实际生产需要将裂解深度设定值降低，处理情况相反。

在裂解炉深度控制器投用后，需要及时做好对应的报警组态，以便于及时地监控深度控制的投用情况。

2.2.3 深度控制对裂解炉收率的影响

GK－VI裂解炉BA－105投用裂解深度控制器前后的数据对比见图4～5（原料为HVGO，投料量为23 t／h）。

图4 BA－105投用深度控制前后乙烯收率变化

图5 BA－105投用深度控制前后双烯收率变化

从图4～5中可以看出：在GK－VI裂解炉上投用深度控制前后有一个较为明显的变化，即乙烯与双烯的收率都得到了一定的提升，其中乙烯收率从投用前平均33.13%提升至投用后平均33.41%，提高了0.28个百分点；双烯收率从投用前平均74.84%提升至投用后平均75.86%，提高了1.02个百分点。

3 结论

结合大量生产实际数据，利用一种基于裂解深度神经网络预测模型的Smith预估控制方案建立的裂解深度软测量模型，实现了裂解深度定值控制。在DCS中实施了基于裂解深度神经网络软测量模型的智能控制系统，将软测量模型输出值通过校正后作为在线分析仪的分析值输入深度控制器，通过深度控制器与已经成功实施的裂解炉出口温度先进控制系统集成，实现了裂解深度的平稳控制。该裂解深度模型在试验裂解炉上取得较好的应用，投用后的裂解深度以及乙烯／丙烯的收率平稳度得到加强，实现了裂解深度的平稳控制，可以基于此深度控制模型进行合理有效的乙烯、丙烯产量的分布。

［1］ 钱家麟.管式加热炉［M］.北京：中国石化出版社，2003.

［2］ 王松汉，何细藕.乙烯工艺与技术［M］.北京：中国石化出版社，2000：138－141.

［3］ 崔德春，胡志海，王子军，等.加氢裂化尾油做蒸汽裂解工艺原料的研究和工业实践［J］.乙烯工业，2008，20（1）：18－24.

［4］ 王仰东，宋芙蓉，李小明.世界乙烯工业技术发展近况［J］.石油化工，2003，32（5）：433－437.

［5］ 王强.关于裂解原料优化的几点思考［J］.石油化工，2002，31（1）：58－62.

［6］ 蒋勇，胡天生.加氢裂化尾油在裂解炉上的应用与操作优化［J］.乙烯工业，2008，20（1）：28－33.

Study on Cracking Severity M odule for Hydrogenation Bottom Oil

Wang Zhe，Shen Dongwei
（Olefin Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.200540）

The significance of controlling cracking severity of ethylene cracking furnace was introduced.Based on calibration of hydrogenation bottom oil（HVGO）generated by medium pressure hydrogenation unit and high pressure hydrogenation unit as cracking material，connecting with severity control system，a severity module system suitable for operation of HVGO in GK－VI cracking furnace was developed.

cracking furnace，nerve network，severity control，HVGO

1674－1099 （2014）04－0036－04

TE624

A

2014－06－06。

王哲，男，1983年出生，常州大学工程硕士，工程师，目前从事乙烯工艺管理工作。